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1、第八章自然伽马能谱测井仪,8.1 自然伽马能谱测井方法原理 8.2 NGTC自然伽马能谱测井仪测量原理 8.3 NGTC自然伽马能谱测井仪电路分析习题,8.1自然伽马能谱测井方法原理,8.1.1 岩石的自然放射性8.1.2 自然伽马能谱探测原理 8.1.3 自然伽马能谱测井仪器测量原理,8.1.1 岩石的自然放射性,主要放射性核素：铀、钍、钾 岩石放射性：火山岩变质岩沉积岩 沉积岩：高放射性：深海泥质沉积物 中放射性：浅海、陆相泥质 低放射性：砂岩、石灰岩、煤等,根据统计，沉积岩的自然放射性一般有以下变化规律：(1)随泥质含量的增加而增加(2)随有机物含量的增加而增加(3)随着钾盐和某些放射性
2、矿物的增加而增加。,铀（U）、钍（Th）、钾（K）的伽马射线能谱,各种粘土矿物的Th/K比,因此，用Th和K的比值可识别各种粘土矿物。,用Th和U的比值研究沉积环境,从化学沉积物到碎屑沉积物，Th和U的比值增大；碳酸盐岩的Th/U为0.32.8；粘土岩的Th/U为2.04.1；砂岩的U含量变化范围很大，因而Th/U值变化范围也大。,8.1.2 伽马能谱探测原理,伽马射线与物质的相互作用能引起物质中原子的电离和激发。利用这两种物理现象可以探测伽马射线。利用次级电子电离气体而建立的探测器有电离室、正比计数器和盖革一弥勒计数器等。利用次级电子使原子核的外层电子受激发，当原子返回基态时放出光子，发生闪
3、光，而建立了闪烁计数器。,1.伽马射线探测器,放电计数管：辐射使气体电离探测射线，效率比较低。,闪烁计数管 射线+NaIe激发原子 回到稳定态时产生光子光电子在阳极记录,光电倍增管,自然伽马能谱测井仪测得的仪器谱,仪器谱当用NaI（Tl）晶体探测伽马射线能谱时，由于伽马射线与物质的三种作用产生次级电子的能量不同，因此既使是单能伽马光子，其脉冲幅度仍有一个很宽的分布。实际能谱曲线是连续的，称仪器谱。在能谱曲线上，除了光电效应造成的光电峰或全能峰外，还有康普顿散射产生的峰，穿过晶体的伽马射线反射回来产生的光电峰以及电子对效应产生的逃逸峰等。,能窗设置 在高能域设置三个能窗，W3、W4和W5，分别探
4、测1.46、1.76和2.62MeV个主要峰 在低能域再设置二个能窗，W1和W2，探测地层中康普顿散射后的伽马射线。W1：0.150.5Mev W2：0.51.1Mev W3：1.321.575Mev(K)W4：1.652.39Mev(U)W5：2.4752.765Mev(Th)稳谱晶体和光电倍增管对温度十分灵敏，温度变化将引起光电倍增管输出脉冲幅度的改变，等效于能谱的漂移。因此，在测量过程中，通过调整电压和电子线路参数保证能量谱的稳定。,解谱原理,用U、Th和K分别代表各自含量，W1W5代表五个能窗的计数率，则,五个方程，3个未知数，其求解方法采用最小二乘法,构造目标函数,当该目标函数Q达到
5、最小时（理想值为零），则上述方程组得到满足。因此，求解超定方程组问题转化为函数求极值问题。,根据函数求极值方法可得：,三个方程，三个未知量，适定方程组，克莱姆法则直接求解。,输出值：自然伽玛总计数率CTS、U、Th、K四条曲线。,8.1.3 伽马能谱测井仪器测量原理,8.2 NGTC自然伽马能谱测井仪测量原理,7.2.1 稳谱原理 Am源稳谱 K、Th能谱峰稳谱 7.2.2 NGT-C 仪器测量原理和框图 7.2.3 刻度能量和电压的转换关系,8.2.1 稳谱原理,伽马能谱测量要通过伽马脉冲幅度来判别它们是从哪种放射性核素放射出来的，因而幅度信息是重要的，必须保证不受其它因素影响。由于闪烁晶体
6、和光电倍增管的对温度十分灵敏，由于温度的变化会导致谱信号记入错误的能窗，因此，稳谱措施是自然伽马能谱测井仪设计中很重要的一环。NGT-C自然伽马能谱测井仪采用两种稳谱方法。,1.Am源稳谱,为了使能谱信号处于能窗的正确位置，采用调整光电倍增管高压的办法，使输出脉冲幅度有所改变。为此，选用一个单能伽马源作为能量参考，记录它的能量谱，实现稳谱。仪器把5Ci的Am241源紧靠着闪烁晶体，它产生没有散射的60keV的单峰，这个峰也不受地层谱的影响。在60keV峰的两旁设置二个能窗，低能窗是4060keV，高能窗是6080keV。,在电路上用三个比较器来实现，比较器的参考电压分别为：0.8V（相对于40
7、keV）1V（相对于60keV）1.2V（相对于80keV）,记录高、低能窗的计数率，如果满足下式就认为全谱处于正确位置。为满足这个条件，测井过程中将不断地调节光电倍增管的高压。,式中APLW镅源低能窗计数率；APUW镅源高能窗计数率。,稳谱条件,2.K、Th能谱峰稳谱,为了进一步稳定全谱，在NGT-C自然伽马能谱测井仪中又增添了用地层的K峰（1460kev）和Th峰（2615keV）稳谱，为此，在K峰和Th峰的两侧都设置高、低能窗：K峰的能窗范围是13651460keV和14601590keV，Th峰的能窗范围是25152610kev和26102740keV。和Am241峰稳谱原理一样，测量
8、K峰和Th峰的高、低能窗的计数率，如果高、低能窗计数率相等，则全谱稳定。如高、低能窗计数率不等，则调节能窗比较器的门槛电压。和用Am241源通过调光电倍增管高压实现稳谱相比，这是一种稳谱的“细调”。,8.2.2 NGT-C 仪器测量原理和框图,结构探头组成电子短节：由测量、稳谱和接口三大部分组成工作原理,NGT-C原理框图,探头部分,谱信号与环信号放大,谱信号的能窗逻辑,计数率寄存和传输,高压控制和谱误差控制,CCS接口,电源,环路信号就是Am241稳谱峰信号,探头部分,谱信号与环信号放大,谱信号的能窗逻辑,计数率寄存和传输,高压控制和谱误差控制,CCS接口,电源,由光电倍增管输出的计数脉冲包
9、含了地层的自然伽马谱信号和稳谱源Am241的谱信号。经U10/U11组成的放大级放大后，地层的谱信号送NGC-052测量信号比较器。Am源的信号再经U12/U13组成的放大级放大后作为控制光电倍增管高压的环信号送环信号能级比较器U1、U2、U3。比较器的参考电压分别为1.2V、1V、0.8V，对应的能级为80keV、60keV、40keV。经窗口逻辑电路后输出Am241峰高（6080keV）和低（4060keV）能窗的计数率值N2和N1，N2和N1的差值通过电路或软件指令改变高压值使Am241峰稳定在60keV。,NGT-C原理框图,探头部分,谱信号与环信号放大,谱信号的能窗逻辑,计数率寄存和
10、传输,高压控制和谱误差控制,CCS接口,电源,被测的地层谱信号送测量能级比较器U1、U2、U3、U4、U11、U12、U13、U14、U15、U16和U17，输出9个能窗的信号，即W1、W2、W3、W4、W5、K稳谱峰的N1、N2和Th稳谱峰的N1、N2。这9个信号与Am241稳谱峰的N1、N2一道加至NGC-054板的11个8位计数器，在下传命令的控制下，再从计数器信号加载进11个8位移位寄存器，与此同时，高压状态信号和仪器状态也载入另外三个8位移位寄存器。这14个移位寄存器的112个数据位在上传时钟的节拍下串行输出，经CCS接口板沿电缆送到地面。,探头部分,谱信号与环信号放大,谱信号的能窗
11、逻辑,计数率寄存和传输,高压控制和谱误差控制,CCS接口,电源,NGC-055 CCS接口板通过三条总线与电缆通信系统连接。这三条总线是下传信号线、Go脉冲/上传数据线、上传时钟线。接口板接收来自电缆通信系统的二条指令，根据指令中的控制数据实现对光电倍增管高压的调节和谱信号比较电路门槛电压的微调，与此同时，把测量的信号按上传时钟的节拍传送到电缆上。,探头部分,谱信号与环信号放大,谱信号的能窗逻辑,计数率寄存和传输,高压控制和谱误差控制,CCS接口,电源,指令用户字所载的数据送NGC-053板的16位移位寄存器。如果控制数据是调节高压的则送入由U10、U13、U12组成的锁存一可逆计数器，再经D
12、/A转换器U14和放大器U1去调整光电倍增管的高压。如果用户字的数据用来微调比较器门槛，则把数据送入U8、U5和U7组成的寄存器，再经12位D/A转换器和放大器U2，作为谱误差控制电压送NGC-052板的放大器U22的输入端，微调谱信号比较器的门槛。,8.3 NGT-C自然伽马能谱测井仪电路分析,7.3.1 环信号放大、比较逻辑电路 7.3.2 谱信号比较逻辑电路 7.3.3 高压环路控制和谱误差控制 7.3.4 能窗计数率的发送,环信号放大、比较逻辑电路,环信号放大电路作用：放大谱信号、环信号（稳谱峰信号），适应能级比较电路的要求结构及工作原理环信号比较逻辑电路 作用：检出能量在40keV6
13、0keV和60keV80keV的环信号脉冲，送高低两个能窗计数结构工作原理,1.谱信号和环信号放大电路,环信号放大电路由两级放大器构成。每级放大器都由二个运算放大器组成同相放大器 U10和U12是HA2620宽带放大器 U11和U13是LH0002电流放大器 先宽带放大后电流放大组合的作用：既考虑放大脉冲的高频成分，又照顾到增大脉冲输出功率，有较好的信噪比。第一级放大器对光电倍增管输出的谱信号和环信号放大：谱信号的动态范围是03000keV，放大器输出为06V环信号的动态范围是0400keV，放大器输出为0800mV第二级放大器使环信号对应的输出电压进一步放大到06VR10用以调节环路增益,2
14、.环信号比较逻辑电路,组成：能级比较器U1、U2和U3脉冲记忆RS触发器：U4、U5 脉冲读出、复位定时逻辑U7、U8和U9脉冲输出选通门：U6a、U6b,能级比较器,脉冲记忆触发器,脉冲输出选通门,脉冲读出、复位定时逻辑,从放大器输出的信号送比较器U1、U2和U3的反相输入端，这三个比较器的同相端接参考电压的分压电阻，使得这三个比较器的门槛电压分别为：,1.2V：对应能级为80keV1V：对应能级为60keV0.8V：对应能级为40keV,当输入环信号幅度在0.81.0V，即相当于核脉冲能量在4060keV，比较逻辑电路工作时序,无信号输入时，三个比较器的输出都是高电平，每个比较器输出端的R
15、-S触发器置零。因此N1、H2均无输出(高电平)。当输入环信号幅度在0.81.0V之间,N1输出一负脉冲。,（a)U3端7,（b)U8端5,（c)U8端13,（f)U6端6,（e)U4端4,（d)U5端11,（g)U9端9,（h)U7端15,当输入环信号幅度在0.81.0V，即相当于核脉冲能量在4060keV，比较逻辑电路工作时序,当输入脉冲电压幅度高于0.8V时，比较器U3的输出（脚7）跳到低电平，使U5D和U5C构成的R-S触发器置1，它锁存比较器的状态（信号a和d）。与此同时，U3输出脉冲的下跳边触发单稳U8B，它的Q端输出一个2.6ns宽的延迟脉冲（信号b），这个脉冲的下跳边再触发U8
16、A，U8A的脚13输出正的读脉冲（信号c）。,7,15,6,11,4,9,5,13,（a)U3端7,（b)U8端5,（c)U8端13,（f)U6端6,（e)U4端4,（d)U5端11,（g)U9端9,（h)U7端15,从上面的分析得到以下结论：当脉冲能量处于4060keV，即Am241的低能窗时，有计数脉冲N1输出；当脉冲能量在6080keV，即Am241的高能窗时，有计数脉冲N2输出。通过计算机按下式进行计算，并通过硬件和软件两种方式调节高压实现稳谱。,式中，TPLWTh稳谱峰低能窗计数率；TPUWTh稳谱峰高能窗计数率。,8.3.2 谱信号比较逻辑电路,谱信号比较逻辑电路（NGC-052）
17、与环信号比较逻辑电路（NGC-051）相似，由11个比较器给出9个输出值，按能窗顺序是:W1 200500keV W2 5001100keV K稳谱N1 13631460keV K稳谱N2 14601590keV W3 11001590keV W4 15902000keV Th稳谱N1 25152610KeV Th稳谱N2 26102740KeV W5 20003000keV电路作用：从谱信号中分离出9个能窗的计数脉冲,构成：谱信号能级比较器、RS触发器、选通门、门槛电压设置电路特点：门槛电压有参考电源经缓冲后分压得到谱误差控制电压可对门槛电压微调,.,.,.,.,从环信号放大电路输出的谱信号
18、送至各比较器的反相端，各个同相端在接参考电压源的各个分压电阻上，产生不同的比较器门槛电压。从参考电压源输出的6.6V送到U22的反相端，反相端的另一个输入是程序PCSL设定值所提供的谱误差控制电压，其变化范围是09V。这二个输入电压经U22求和，再经U21的1:1放大和功率输出接各分压电阻。不同电平的谱信号触发不同能窗的计数信号输出,200keV,500keV,3000keV,.,.,.,.,.,高压环路控制和谱误差控制,在CSU数控测井系统里，测量和控制都是由地面计算机进行，从电缆通信系统CCS的井下部分送出二条指令给下井仪器，这二条指令是用户字（UDW）和基本指令字（BIW），每条指令16
19、位，基本指令字的915位是地址位，各种下井仪器有不同的地址，NGT-C仪器的地址是十进制数7，下井仪器通过电路识别地址后，才接受指令。CCS井下部分的接口首先向下井仪器传用户字，再传基本指令字。,表7-3 UDW用户字,NGT-C仪器的用户字的415位是数据位，载有控制高压或谱误差控制电压的数据，03位是功能地址，表明415位的数据是用来控制高压还是用作谱误差控制。其功能如下表7-3。,高压环路控制和谱误差控制原理图,D/A,D/A,寄存器组,寄存器组,译码器,地址选择及控制,串改并移位寄存器,存放UDW字,返回上级控制,高压控制电路,谱误差控制电路,构成：移位寄存器；高压数据锁存器、D/A转
20、换器、放大电路；谱误差数据锁存器、D/A转换器、放大电路；译码控制电路；高压控制方式寄存器；镅环路控制寄存器。,返回上级控制,硬件控制的升降控制输入端,D/A,D/A,寄存器组,寄存器组,译码器,地址选择及控制,串改并移位寄存器,存放UDW字,高压控制电路,谱误差控制电路,16位用户字在DWCK反相时钟的节拍下送入串行输入并行输出的移位寄存器U11和U9。用户字的415位是载入寄存器U12、U13和U10还是载入寄存器U7、U5和U8，取决于用户字的03位，用户字的03位由移位寄存器U9送给译码器U3，U3的输出是十进制译码数09。,由表7-3可知，功能地址位的二进制数经译码后是十进制数14。
21、1是加载数据进高压寄存器，2是加载数据进谱误差控制寄存器，3是高压控制方式，4是Am241环路控制是否允许。U3的4个输出分别接与门U4A、U4B、U4C和U4D的一个输入端，这四个与门的另一输入端接与门U27A的输出。U27A的输入接ACOMP信号和奇偶检查信号。,D/A,D/A,寄存器组,寄存器组,译码器,地址选择及控制,串改并移位寄存器,存放UDW字,高压控制电路,谱误差控制电路,当NGT-C仪器识别了基本指令字的NGT地址后，才允许指令进入。接口电路识别地址7后ACOMP信号为高电平，同时奇偶检查无误，才使U27A的输出为高电平。此时，若译码器U3的输出为2；则通过与门U4D使用户字加
22、载进寄存器U7、U5和U8，再经D/A转换器U6，输出谱误差控制电压去细调谱信号比较器的门槛电压。同时，U7、U5和U8的1115位作为谱误差控制状态位输出。,D/A,D/A,寄存器组,寄存器组,译码器,地址选择及控制,串改并移位寄存器,存放UDW字,高压控制电路,谱误差控制电路,当用户字03位的十进制译码输出为3，且数据位4的二进制为0时，为软件控制高压。U26B的D端接移位寄存器U9的数据位4的输出，用来记忆数据位4的状态。当位4为二进制0时，译码器输出3经U4B作为U26B的时钟使其Q非端为高电平，并输给与非门U28A的一个输入端。U28A的另一个输入是译码器U3的输出1经U4C给出的。
23、当这二个输入都是高电平时，U28A输出低电平，控制寄存器U12、U13和U10的加载端加载用户字的12位数据位，再经D/A转换器U14，从三极管Q1的射极输出高压控制电压。同时，U12、U13和U10的12位输出作为高压控制状态位输到计数存储与传输板。,如果译码器U3的输出为1，则应加载数据进高压控制寄存器。但是，对高压的控制可以通过两种方式进行，硬件控制抑或软件控制。硬件控制时U12、U13和U10作可逆计数器用，不锁存用户字的数据位，只有软件控制高压时，才锁存用户字的数据位。,U26B,U28A,D/A,D/A,寄存器组,寄存器组,译码器,地址选择及控制,串改并移位寄存器,存放UDW字,高
24、压控制电路,谱误差控制电路,如果用户字数据位4是二进制数1，在译码器U3的二进制输出3作为时钟控制下，D触发器U26B置位，Q非端为低电平，堵塞与非门U28A，U28A输出高电平，U12、U13和U10不锁存用户字的数据位，而作为可逆计数器对高压进行硬件控制。D触发器U26A用来产生Am环路控制禁止还是允许的控制电平，用户字数据位4接到D端，译码器U3的十进制输出4经U4A作为时钟，当D输入端为0时，在时钟控制下，Q端输出为低电平，允许Am环路控制。当D输入端为1时，Q端输出为高电平，禁止Am环路的控制。,D,硬件控制的升降控制输入端,能窗计数率的发送,1.上传数据帧的结构2.计数率发送电路,
25、1.上传数据帧的结构,第一个字是高压数据状态（12位）和谱误差数据状态（4位）字2、字3、和字4分别传送Am、Th和K稳谱峰低能和高能窗的计数率。每个能窗的数据取8位。字5、字6和字7的815位用以传送能窗W1、W2、W3、W4和W5的计数率。字7的第7位传送环路的控制状态 当用硬件控制高压时，用1表示 软件控制高压时，用0表示 字7的第6位传送奇偶状态位 1表示偶数奇偶检查 0表示奇数奇偶检查 字7的第5位传送环路控制的稳定性状态 Am环路硬件控制搜索时，用1表示；Am环路硬件控制锁定时，用0表示。,2.计数率发送电路,数据上传时加载到移位寄存器，在上传时钟作用下实现并串转换,电路组成,11
26、个计数器对5个测量能窗（W1W5）和6个稳谱能窗（Am N1和N2、K N1和N2、Th N1和N2）的计数 脉冲进行计数,最后一字节,谱误差状态,高压状态,习题,1、NGT-C自然伽马能谱测井仪器为什么要进行稳谱？怎样进行稳谱？2、试画出NGT-C自然伽马能谱测井仪器原理框图，并说明各部分的功能。3、什么是NGT-C自然伽马能谱测井仪器中的谱信号和环信号？其中环信号是用来做什么用的？4、试分析NGT-C自然伽马能谱测井仪器中的环信号比较逻辑电路的工作原理。5、试分析NGT-C自然伽马能谱测井仪器中的谱信号比较逻辑电路的工作原理。6、NGT-C自然伽马能谱测井仪器上传数据格式是什么？7、试画出NGT-C自然伽马能谱测井仪器中的能窗计数率发送电路原理框图，并说明其工作过程。,
